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STRUMENTI TERMINALI DIGITALI

STRUMENTI TERMINALI DIGITALI. ARGOMENTI DELLA LEZIONE:. i convertitori A/D (ad integrazione e parallelo) e D/A (a resistenze pesate) sistemi di acquisizione digitale. CONVERTITORI A/D. G(t). (G i , t i ) i=1 ...... N t i =i  t C. A / D. PRESTAZIONI PRINCIPALI:

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Presentation Transcript

  1. STRUMENTI TERMINALI DIGITALI

  2. ARGOMENTI DELLA LEZIONE: • i convertitori A/D (ad integrazione e parallelo) e D/A (a resistenze pesate) • sistemi di acquisizione digitale

  3. CONVERTITORI A/D

  4. G(t) (Gi, ti) i=1 ...... N ti=i tC A / D PRESTAZIONI PRINCIPALI: fC = 1/ tCfrequenza di campionamento n° bit = risoluzione linearità e accuratezza

  5. CONVERTITORE A/D ad INTEGRAZIONE (a doppia rampa) E’ la tecnologia più semplice e diffusa E’ lento  display, mulltimetri, sistemi acquisizione dati statici

  6. Integratore C - V rif R Schema e componenti Comparatore - Vin + Logica di controllo Clock Contatore

  7. T V 1 1  in V (T ) = V dt = T1 OUT 1 in RC RC 0 C - V rif R - Vin + Clock Logica Contatore Fasi della conversione 1) Input Vin integrato per tempo fisso T1 Vin alta Vin bassa T1 fisso

  8. C - V rif R - Vin + Clock Logica Contatore 2) Integratore connesso a -Vrif VOUT(t) =V(T1) -Vrif t / RC Si misura T2 per VOUT=0 Vin alta Vin bassa Comparatore: arresta clock quando VOUT=0 T1 fisso T2 variabile

  9. Vin alta Vin bassa T1 fisso T2 variabile 3) Si trova Vin=Vrif T2 / T1

  10. C - V rif R - Vin + Contatore Vantaggi: Insensibilità ai disturbi grazie all’integratore Precisione: misura di tempi è precisa

  11. C - V rif R - Vin + Contatore Problemi: Vrif deve essere costante Intrinsecamente lento (misure statiche o S/H)

  12. CONVERTITORE A/D PARALLELO (“FLASH”) E’ usato per la sua elevata frequenza di campionamento sistemi acquisizione dati dinamici e multicanale

  13. Ingresso Vin Vrif 3R/2 R } R R N=4 bit Uscita R/2 1) Vrif è diviso in 2N parti separate da 1 LSB tramite le R che def. (2N-1) soglie (Vrif)i Funzionamento di A/D “flash” a N=4 bit

  14. 2) (2N-1) comparatori confrontano Vin con le soglie (Vrif)i se Vin  (Vrif)i (VOUT)i =ON se Vin < (Vrif)i (VOUT)i=OFF L’uscita (VOUT)i non è un numero binario Ingresso Vin Vrif 3R/2 R R R R/2

  15. Ingresso Vin Vrif 3R/2 R } R R N=4 bit Uscita R/2 3) Decodificatore converte le uscite (VOUT)i dei comparatori nella parola binaria

  16. Limite: alto numero di comparatori e resistenze precise Se N=4 bit (2N-1)=15 comparatori Se N=8 bit 255 comparatori ! Flash a 4 bit

  17. Per fare un flash ad 8 bit si usano spesso 2 convertitori a 4 bit 1) Convertitore A/D #1 I° 4 bit (MSB) Convertitori “flash” A/D #1 4 MSB Vin D/A A/D #2

  18. A/D #1 4 MSB Vin D/A 4 LSB A/D #2 2) Si genera la differenza tra Vin e V(MSB) tramite convertitore D/A e comparatore

  19. 3) La differenza è convertita da A/D #2 a 4 bit A/D #1 4 MSB Vin D/A 4 LSB A/D #2

  20. 1111 1000 0000 1111 1000 0000 0 FS 0 FS INCERTEZZA DEI CONVERTITORI A/D a) Variazioni termiche e di tensione di alimentazione  variazione di sensibilitàerrori sistematici CALIBRAZIONE

  21. 0110 0101 0100 0011 0010 b) Per imperfezioni costruttive  non linearità: un bit differisce dall’altro 1 LSB ideale Errore sul bit 1111 1000 0000 0 FS

  22. CONVERTITORI D/A

  23. Convertitore D/A = dispositivo che riceve in ingresso un codice binario ad N bit e lo trasforma in uscita analogica elettrica (V od I) Ampiezza dell’uscita proporzionale al numero binario in ingresso Uscita analogica D / A N bit

  24. Funzione tipica: - generare segnali analogici con sistemi digitali Applicazione: - qualsiasi sistema di controllo digitale

  25. Ingresso N bit } R Convertitore D/A R1 “Ladder” Struttura generale di un convertitore D/A Vrif - VU + Il Ladder cambia il valore della propria resistenza R1 in funz. del codice binario L’amplificatore retroazionato negativamente con R fissa è così collegato ad R1 variabile

  26. R R1 - Vrif + VU Allora VU = -Vrif R / R1 Se R1 codice binario in ingresso VU codice binario in ingresso Il convertitore D/A fa proprio questo Ladder

  27. } Ingresso N bit R Convertitore D/A R1 “Ladder” Vrif - Vrif = cost e ingresso (bN, ....., b1) con b1=LSB Il convertitore D/A è progettato per dare VU +   b b b N N - 1 1 V = -V + + .... +   U rif 1 2 N   2 2 2

  28.   b b b N N - 1 1 V = -V + + .... +   U rif 1 2 N   2 2 2 Es.: se 4 bit e ingresso = 1111 VU = -Vrif(1/2 + 1/4 + 1/8 + 1/16)= -Vrif15/16 Es.: se 4 bit e ingresso = 0000 VU = 0 Pertanto la relazione fornisce: 2N = 16 livelli di uscita tra 0 e -(15/16)Vrif

  29. R Ladder a resistenze pesate = resistenze diverse in parallelo connesse a deviatori pilotati dai bit b1...bN - 1 0 0 1 VU + Vrif Se bit bi =1 resistenza è inserita in parallelo all’ingresso invertente dell’amplificatore operazionale R1

  30. R - 2R 4R 8R 16R 0 1 0 1 VU + Vrif Al b1 è connessa resistenza = 2N R Al b2è connessa resistenza = 2N-1 R Al bNè connessa resistenza = 2 R

  31. R - 2R 4R 8R 16R 0 1 0 1 VU + Vrif Essendo in parallelo vale: solo gli elem. con bi = 1   b b b 1 N N - 1 1 = + + .... +   1 2 N   R 2 R 2 R 2 R 1

  32. R R1 - Vrif + VU Poichè VU = -Vrif R / R1 sostituendo R1 si ha l’uscita dal convertitore VU   b b b N N - 1 1 V = -V + + .... +   U rif 1 2 N   2 2 2 E’ la relazione desiderataarchitettura OK

  33. SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALI

  34. PERCHE’ UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALE ? compatibilità con sistemi di calcolo immunità ai disturbi (in fase di registrazione, conservazione, riproduzione e trasmissione del segnale) flessibilità (configurazione del sistema programmabile)

  35. SCELTA DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI tipo e numero di segnali tipo di applicazione (laboratorio, impianto industriale, veicolo in esercizio, ecc.) esigenze di interfacciamento con altri sistemi di calcolo, controllo ecc.

  36. PARAMETRI CARATTERISTICI DI UN SISTEMA DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALE risoluzione (numero di bit degli A/D) numero di canali frequenza di campionamento per ogni canale profondità di memoria per ogni canale bus di collegamento con l’elaboratore

  37. ALCUNI TIPICI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DATI DIGITALI Sistema digitale autonomo (data logger, transient recorder ecc.) Scheda acquisizione dati per PC (spesso A/D e D/A) Oscilloscopio digitale

  38. G(t) T S/H A/D C=A+F PRINCIPALI COMPONENTI DI UN SISTEMA ACQUISIZIONE DATI DIGITALE C = elementi di condizionamento del segnale (ampl., filtro anti aliasing e altri eventuali elementi, linearizzatori ecc.) S/H = circuito sample & hold A/D = convertitore A/D

  39. G(t) T S/H A/D C=A+F bus di comunicazione con calcolatore memoria se sistema multicanale multiplexer analogico (AMUX) o digitale (DMUX)

  40. CONFIGURAZIONE DEI SISTEMI DI ACQUISIZIONE DIGITALI

  41. T1 C1 AMUX A/D n bits } TN CN LOGICA DI CONTROLLO a) SCHEMA per MISURE STATICHE: N canali campionati in sequenza

  42. Preciso (usa convertitore ad integrazione) L’AMUX permette uso di un solo A/D Dati non contemporanei (non c’è S/H) Solo misure statiche (non c’è S/H) Lento (usa convertitore ad integrazione ed AMUX)

  43. T1 C1 AMUX S/H A/D n bits } TN CN LOGICA DI CONTROLLO b) SCHEMA per MISURE DINAMICHE: N canali campionati in sequenza; il S/H permette la conversione A/D con ingresso tempovariante

  44. T1 C1 S/H AMUX A/D n bits } TN CN S/H LOGICA DI CONTROLLO c) SCHEMA per MISURE DINAMICHE SIMULTANEE: N canali campionati simultaneamente

  45. DIGITALE MUX T1 C1 S/H A/D } computer bus TN CN S/H A/D d) SCHEMA per MISURE DINAMICHE ad ALTA FREQUENZA DI CAMPIONAMENTO: N canali campionati simultaneamente da N A/D Multiplexaggio digitale

  46. COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATORE Il sistema di acquisizione dati A/D viene gestito come una unità periferica dall’elaboratore Il sistema di acquisizione è una scheda all’inteno del PC

  47. COLLEGAMENTO TRA SISTEMA DI ACQUISIZIONE E CALCOLATORE Il sistema di acquisizione dati A/D è gestito come unità periferica dal calcolatore Concetto di comunicazione seriale: Parola = N bit Esistono standard: es. RS-232, RS-422 1 10 1 1 0 1 A B

  48. 1 0 1 1 0 0 0 1 0 A B Parola N bit Concetto di comunicazione parallela: es. standard IEEE-488

  49. 1 0 1 1 0 0 0 1 0 A B Parola N bit Concetto di comunicazione parallela: es. standard IEEE-488

  50. REGISTRATORI A NASTRO MAGNETICO

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